CN102717325B - 一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法 - Google Patents
一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，非牛顿流体占抛光液质量的50%~90%，磨粒或微粉占抛光液质量的10%~50%，磨粒或微粉的粒径范围为：0.05-50μm；抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。本发明可实现对各种曲面尤其是复杂曲面的高效高质量抛光，具有极大的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于精密超精密加工技术，涉及一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光方法，特别涉及非球曲面、异形曲面等各种复杂曲面的高效、超精密抛光方法。
背景技术
复杂曲面已经成为航空航天、天文、汽车零部件、模具和生物医用植入等领域众多零件的重要工作面。非球面光学零件能够很好地矫正多种像差，提高仪器鉴别能力，简化仪器结构；复杂曲面反射镜可有效减少反射次数和功率损失，提高精度以及稳定性；复杂曲面的发动机缸提高了其工作效能。同时，随着产品外形设计日趋复杂、高精度、微细化，生物医用植入物、模具、汽车零部件越来越多的应用了复杂曲面外形。据统计，有30%左右的模具型腔采用了复杂的自由曲面。
随着对复杂曲面类零件性能要求的不断提高和需求量的增加，对其抛光一方面要求高的表面质量，另一方面又要求高效、低成本。高效的抛光，需要抛光工具与工件曲面有较大的接触面积（在相同转速和压强下可获得较大的材料去除量）；精密的抛光则需要工具曲面与工件曲面有良好的接触吻合度。但由于复杂曲面曲率的多变性，导致抛光工具曲率很难和被抛光曲面曲率一致，传统技术一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求。因此，如何解决以上矛盾，实现复杂曲面高质量、高效、低成本的抛光已经成为超精密加工领域的一项重要的课题。目前，在我国的实际生产中，很多复杂曲面抛光仍采用传统的手工方式完成，加工过程长，稳定性和重复性差，加工成本高。因此，研究、开发一种新的适合复杂曲面高效、高质量、低成本的抛光方法尤为必要。
目前开发的曲面抛光技术主要包括计算机控制表面成型、磨粒流抛光、电解抛光、磁场辅助抛光以及气囊抛光等。计算机控制表面成型属于传统的接触式抛光技术，一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求，但接触式抛光中抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了抛光的精度；加工效率较低，且表面质量对磨粒尺寸差异敏感。磨粒流抛光是通过载有磨料的黏弹体在压力下反复通过工件表面实现抛光加工，其需要复杂的磨粒流推动系统，且工件抛光效率较低；电解抛光加工表面质量好，加工效率高，但其仅适用于部分金属工件，且电解液易对环境造成不利影响。磁场辅助抛光方法是利用磁场控制磁性磨粒或磁流变抛光液对工件表面进行抛光，是一类高效、柔性的抛光方法，能够获得很好的加工效果，但较为复杂的磁场辅助设备和较高的加工介质使用成本制约了这类抛光方法的应用。气囊抛光是使用一个气压可控的充气气囊作为抛光工具进行抛光加工，由于加工工具尺寸的限制仅可抛光中-大口径曲面，且对工件边缘抛光质量控制较差。
综上所述，现有的曲面抛光技术难以在抛光表面质量、抛光效率、加工成本以及环境友好性等方面达到均衡，很难满足各种复杂曲面加工的高效高精密加工要求。因此，对于各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效高精密加工而言，迫切需要一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备低成本及环保的新型曲面抛光方法。
发明内容
为了克服现有技术存在的加工设备复杂成本高、加工效率低、加工一致性差、难以满足各种曲面尤其是复杂异形曲面的高高效高质量加工要求的不足等，本发明提出一种高效、低成本的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，非牛顿流体占抛光液质量的50%~90%，磨粒或微粉占抛光液质量的10%~50%，磨粒或微粉的粒径范围为：0.05-50μm；
抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。
所述的组成抛光液的非牛顿流体具有剪切增稠特性，即，非牛顿流体在剪切应力和剪切应变的作用下，表观粘度（一定剪切速率下的剪切应力与剪切速率的比值）迅速增大，甚至由液相转变为固相；剪切作用撤除后，又迅速从固相转变为液相，其变化是可逆的。所述的具有剪切增稠特性的非牛顿流体可以是聚乙二醇和硅微粒组成的非牛顿流体、多羟基醛高聚体和水组成的非牛顿流体、以及其它高分子材料（如氧化硅、PMMA、PSt-EA等）与水或有机溶剂（如乙二醇、PEG4000、PEG6000、PEG10000等）。所述的非牛顿流体占抛光液重量的50-90%。具有剪切增稠特性的非牛顿流体可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的抛光液中添加了具磨粒或微粉，磨粒或微粉在一定速度和压力作用下，能对工件产生微切削作用（选用的磨粒或微粉的硬度高于工件材料时）或化学机械作用（选用的磨粒或微粉的硬度低于工件材料时），实现工件表面材料去除。所述的磨料或微粉可以是金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化钛、氧化铬、氧化铜、氧化钼、氧化铱或以上几种磨粒或微粉的混合物。磨粒或微粉占抛光液重量5-40%，磨粒粒径范围为：0.05-50μm。磨粒或微粉种类及其粒径、浓度等参数可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的抛光液中，可以加入化学活性剂，促进/增强磨粒或微粉与工件材料之间的化学作用，从而利用磨粒或微粉与工件材料之间的化学机械作用，实现工件表面的少/无损失抛光。所述的化学活性剂可以是碱、酸、盐、金属氧化物、非金属氧化物或以上几种的混合物。活性剂占抛光液液重量0-20%，有些情况下，不需要抛光液中具有化学活性作用，因此，化学活性剂可以为0。化学活性剂的种类、浓度可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的工件与抛光液的相对运动可以为旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动，可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
本发明的技术构思为：与工件接触区域的抛光液发生剪切增稠现象，其粘度急剧增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，形成柔性的“固着磨具”，提高了抛光效率；抛光液整体呈现的“柔性”，降低了工件表面的损伤；抛光液的流动特性使形成的“固着磨具”能够很好地吻合不同曲率的工件表面，从而可以实现复杂曲面的高效高质量抛光。
本发明可实现对各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效高质量抛光，具有极大的经济效益和社会效益。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）属于柔性加工方式，加工表面质量好，材料变质层小；
（2）由于非牛顿流体剪切增稠效应形成在工件与抛光液接触部位形成一个“固着磨具”，加工效率高；
（3）由于非牛顿流体具有流动性，可以使形成的“固着磨具”与不同曲率的曲面都具有良好的吻合度，从而可以实现复杂曲面以及孔壁等各种类型的表面的抛光，加工适用范围广；
（4）非牛顿流体基液中胶态粒子对磨粒具有很好的分散和托举作用，磨粒在抛光液中的分散性好；
（5）非牛顿流体抛光液制备简单，成本较低；
（6）在抛光过程中无需辅助设备产生剪切增稠效应，因而使用成本低，对加工设备要求较低。
附图说明
图1为本发明中利用非牛顿流体剪切增稠效应进行抛光的加工原理示意图。
图2为一种利用本发明方法对球面工件进行抛光的具体实施实例示意图。
图3为另一种利用本发明方法对球面工件进行抛光的具体实施实例示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的方案进行进一步说明：
参照图1~图3，一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，以非牛顿流体作为基液配制抛光液，将抛光用的磨粒分散在非牛顿流体中。抛光过程中，由于工件1与抛光液2的相对运动，抛光液2与工件1接触部分受到剪切作用发生剪切增稠现象，抛光液中分散的胶态固体粒子3聚合成大量粒子簇4，并将磨粒5包裹在其中。接触区域抛光液的粘度急剧增大，瞬间呈现固体特性，增强了对磨粒的把持力，在加工位置形成一个柔性“固着磨具”；同时，在加工载荷以及柔性“固着磨具”与工件之间接触力的作用下，工件被加工区域表面形成一定的压力分布6，从而通过磨粒的微切削作用实现工件材料的高效、柔性去除。由于抛光液2具有流动性，因此，能够很好地吻合不同曲率的工件1表面，从而实现复杂曲面高效高质量抛光。
进一步，所述的抛光液主要由具有剪切增稠效应的非牛顿流体以及具有抛光作用的磨粒或微粉等构成。
进一步，所述的组成抛光液的非牛顿流体具有剪切增稠特性，即，非牛顿流体在剪切应力和剪切应变的作用下，表观粘度（一定剪切速率下的剪切应力与剪切速率的比值）迅速增大，甚至由液相转变为固相；剪切作用撤除后，又迅速从固相转变为液相，其变化是可逆的。所述的具有剪切增稠特性的非牛顿流体可以是聚乙二醇和硅微粒组成的非牛顿流体、多羟基醛高聚体和水组成的非牛顿流体、以及其它高分子材料（如氧化硅、PMMA、PSt-EA等）与水或有机溶剂（如乙二醇、PEG4000、PEG6000、PEG10000等）。所述的非牛顿流体占抛光液重量的50-90%。具有剪切增稠特性的非牛顿流体可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的抛光液中添加了具磨粒或微粉，磨粒或微粉在一定速度和压力作用下，能对工件产生微切削作用（选用的磨粒或微粉的硬度高于工件材料时）或化学机械作用（选用的磨粒或微粉的硬度低于工件材料时），实现工件表面材料去除。所述的磨料或微粉可以是金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化钛、氧化铬、氧化铜、氧化钼、氧化铱或以上几种磨粒或微粉的混合物。磨粒或微粉占抛光液重量5-40%，磨粒粒径范围为：0.05-50μm。磨粒或微粉种类及其粒径、浓度等参数可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的抛光液中，可以加入化学活性剂，促进/增强磨粒或微粉与工件材料之间的化学作用，从而利用磨粒或微粉与工件材料之间的化学机械作用，实现工件表面的少/无损失抛光。所述的化学活性剂可以是碱、酸、盐、金属氧化物、非金属氧化物或以上几种的混合物。活性剂占抛光液液重量0-20%。化学活性剂的种类、浓度可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
进一步，所述的工件与抛光液的相对运动可以旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动，可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。
本发明所述的一种曲面零件的高效高质量抛光方法，可实现各种曲面的高效、高质量、低成本的加工要求。
参照图2，以多羟基醛高聚体为分散相，以水为溶剂制备了具有剪切增稠效应的非牛顿流体，随后向其中加入2000#的SiC磨粒并搅拌均匀制备出非牛顿流体抛光液1。抛光对象为轴承钢曲面工件（曲率半径30mm）2，球体被固定在夹具3上，对其顶部的曲面进行抛光；非牛顿流体抛光液1在抛光槽4内随槽体转动，与抛光曲面形成相对运动。下表1列出了基于非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光条件：
表1 非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光条件
| 工件 | 轴承钢曲面零件（曲率半径30mm） |
| 抛光槽转速 | 60rpm |
| 工件转速 | 20rpm |
| 磨料 | 2000#SiC |
| 抛光液基液 | 多羟基醛高聚体、水等其它 |
| 磨料浓度 | ～40%wt |
| 工件距抛光槽中心距离 | 100mm |
在15分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 0.349μm迅速下降到Ra 0.02μm。由此可见，该新型曲面抛光方法可满足复杂异形曲面的高高效高质量加工要求。
如附图3所示，以多羟基醛高聚体为分散相，以水为溶剂制备了具有剪切增稠效应的非牛顿流体，随后向其中加入粒度为1μm的CeO2抛光粉并搅拌均匀制备出非牛顿流体抛光液1。抛光对象为经过预研磨的Si3N4球面工件2（半径70mm），工件被固定在夹具3上并可随夹具自转及摆动，非牛顿流体抛光液1在抛光槽4内随槽体转动，与被抛光工件表面形成相对运动。Si3N4陶瓷与CeO2磨料可能会发生以下的化学反应：
Si3N4+CeO2→SiO2+CeO1.72+CeO1.83+Ce2O3+N2(g)
其中包含两种类型的化学反应：氧化—还原反应和置换反应（即硅酸盐等物质中阳离子与阴离子的置换）。Si3N4:Si→SiO2或SiO4 2-，而N→N3-，N2(g)或NH3(g)。SiO2是Si3N4材料表面存留的主要反应产物。CeO2在较高的温度下是不稳定的，会转变成Ce2O3，CeO1.72以及CeO1.83。这些反应产物均通过由剪切增稠效应形成的柔性抛光头去除
此外，非牛顿流体抛光液中的水还可直接参与Si3N4工件材料的化学反应，增强化学机械抛光的作用。Si3N4能够与水发生水解反应生成SiO2和NH3。而在较高的温度下（>200°C），NH3就有可能分解成N2(g)和H2(g)：。
Si3N4+6H2O=3SiO2+4NH3
Si3N4+6H2O=3SiO2+2N2(g)+6H2(g)（T>200℃）
在高温的作用下，通过切断Si-O键，水分子将与Si原子形成Si-OH，即Si-O键发生水解反应形成Si(OH)4，这种物质的水溶性很强，可以通过抛光液的流动从加工反应区域去除，从而实现工件表面的超精密抛光。表2列出了基于非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光条件：
表2 非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光条件
| 工件 | Si3N4抛物面工件（半径70mm） |
| 抛光槽转速 | 40rpm |
| 工件转速 | 20rpm |
| 磨料 | 50nm CeO2 |
| 抛光液基液 | 多羟基醛高聚体、水等其它 |
| 磨料浓度 | ～20%wt |
| 工件距抛光槽中心距离 | 80mm |
在45分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 53nm下降至Ra 3nm。
由上述实施例可见，该新型曲面抛光方法可满足复杂异形曲面的高效高质量加工要求。
Claims (5)
1.一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其特征在于：在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，非牛顿流体占抛光液质量的50%～90%，磨粒或微粉占抛光液质量的10%～50%，磨粒或微粉的粒径范围为：0.05-50μm；
抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。
2.如权利要求1所述的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其特征在于：所述的具有剪切增稠特性的非牛顿流体为以下之一：（1）聚乙二醇和硅微粒组成的非牛顿流体、（2）多羟基醛高聚体和水组成的非牛顿流体。
3.如权利要求1或2所述的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其特征在于：所述的磨粒或微粉为以下一种或两种以上混合物：金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化钛、氧化铬、氧化铜、氧化钼或氧化铱。
4.如权利要求1或2所述的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其特征在于：所述的抛光液还包括化学活性剂，所述的化学活性剂是碱、酸、盐、金属氧化物、非金属氧化物或以上几种的混合物；活性剂占抛光液质量的0-20%。
5.如权利要求1或2所述的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其特征在于：所述的工件与抛光液的相对运动为旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动。
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